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冲击地压发生和破坏过程研究

潘一山  
【摘要】:冲击地压是世界范围内煤矿及岩石工程中遇到的最严重的自然灾害之一,是目前国际采矿工程和岩石力学界迫切需要研究解决的科学难题。本文对冲击地压发生和破坏过程进行了系统的理论和实验研究。 研究了冲击地压的发生启动:提出了启动的能量准则和扰动响应准则;得到了煤柱、采煤工作面及圆形巷道发生冲击地压的解析解;提出了一个新的冲击倾向性指标即煤岩弹性模量E和降模量λ之比E/λ,建立了发生冲击地压的临界软化区深度、临界载荷、临界开采深度及冲击地压发生后释放能量与E/λ关系;提出了阻力区概念,给出了临界阻力区大小和E/λ关系。该部分研究成果使冲击地压的预测和防治建立在更加坚实的力学基础之上。 研究了冲击地压启动后煤岩变形破坏规律:发现冲击地压启动后煤岩变形破坏产生局部化;提出通过研究变形局部化过程来研究冲击地压启动后煤岩变形破坏过程;通过大刚度和小加载速率控制冲击地压启动后变形破坏过程,采用白光数字散斑相关方法定量化跟踪煤岩试件表面变形场,实验观测了试件试验机系统冲击地压启动后煤岩变形破坏局部化过程,并首次测得了煤和砂岩的变形局部化带的宽度;引入材料内部长度参数l,提出了描述冲击地压启动后变形破坏的梯度塑性本构关系;得到了大刚度和小加载速率下试件试验机系统冲击地压启动后煤岩变形局部化带宽度的解析解;将带宽实测值代入理论解中,得到了参数l;通过对三个矿井的冲击地压分析,发现其发生次数和震级之间符合Gutenberg-Richter公式,给出了冲击地压发生最大震级公式。该部分研究成果使冲击地压由“全面”防治转变为“针对性”防治成为可能。 对冲击地压发生全过程进行了相似模拟实验研究:提出了物理模拟冲击地压发生全过程的相似系数E/λ和l,研制了冲击地压模拟的系列相似材料;进行了圆形巷道冲击地压模拟实验,得到了冲击地压发生的临界载荷,理论解和实验值对比,误差为5.7%;对大安山矿3.2级冲击地压进行了模拟,再现了实际采煤工作面的冲击地压,并对该工作面后续开采进行了模拟,现场按所提模拟方案进行开采,该工作面已安全开采完毕。该部分研究成果使冲击地压由以“治”为主转变为以“防”为主成为可能。 对断层冲击地压进行了研究:建立了发生准则;进行了理论和模拟实验研究;建立了断层冲击地压的粘滑模型;解释了一些断层冲击地压现象。


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